超顺排碳纳米管增强铜基复合材料的微观结构与性能研究

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纯铜具有优异的导电导热性能,但其较低的力学性能和载流密度已无法满足电工电子等领域快速发展的需要。采用复合强化方法,在保持纯铜高导性的同时,进一步提高其力学性能和载流性能等对于拓展纯铜的应用范围具有重要意义。超顺排碳纳米管(SACNT)薄膜因其优异的综合性能和独特的超顺排结构成为制备高性能铜基复合材料的理想增强体。本文采用电化学沉积工艺制备出SACNT/Cu复合材料,通过改变SACNT膜的铺设方向和对SACNT膜进行预镀镍处理,对复合材料的微观结构、力学性能和传导性能进行了系统的研究和分析。研究结果表明:当复合材料中SACNT膜单向排列时,基体铜的晶粒尺寸和孪晶片的厚度随着SACNT体积分数的增加而逐渐的减小。SACNT/Cu复合材料力学性能的提高是CNTs承载强化、细晶强化和Orowan强化三种机制共同作用的结果,单向SACNT/Cu复合材料的抗拉强度、屈服强度和载流密度可达287.3MPa、213.6MPa和11667A/cm~2,与纯铜相比分别提高了48.6%、94.9%和32.0%,而复合材料的导电率保持在78%IACS以上;当复合材料中SACNT膜正交铺设时,SACNT对基体铜晶粒尺寸和孪晶片厚度的细化作用进一步增强,SACNT/Cu复合材料中的细晶强化和Orowan强化作用更加显著,正交SACNT/Cu复合材料的抗拉强度和屈服强度可达336.3MPa和246.0MPa,同时导电率保持在75%IACS以上;保持SACNT膜单向排列并对SACNT膜进行预镀镍处理,SACNT膜的超顺排形貌没有发生变化,但复合材料中Cu与CNTs之间的界面结合强度显著提高,有效地提高了复合材料中的CNTs承载强化作用,预镀镍SACNT/Cu复合材料抗拉强度和屈服强度可达477.8MPa和295.5MPa,导电率则保持在58%IACS以上。
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